Labor- und Freilandversuche zur Entwicklung eines hygrothermischen Berechnungsmodells für Dachbegrünungen

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Zu den berühmtesten Verfechtern von Gründächern zählt der österreichische Künstler Friedensreich Hundertwasser, der Gründächer als einen wichtigen Teil der von ihm angestrebten Versöhnung von Mensch und Natur sah. In Stuttgart sind beispielsweise zwischen 1986 und 2008 180.000 m² begrünte Dachfläche auf öffentlichen und privaten Gebäuden entstanden, im Flächennutzungsplan 2010 waren für zukünftige Bauvorhaben weitere 1,5 Millionen m² als Minimierungs- oder Ausgleichsmaßnahmen geplant. Aus einer aktuellen Umfrage der Fachvereinigung Bauwerksbegrünung (FBB) geht hervor, dass der Anteil der deutschen Städte, die die Begrünung von Dächern in ihren Bebauungsplänen verankern, auch weiterhin konstant bleibt. Grüne Flächen auf dem Dach sind also zweifelsfrei etabliert.

Begrünte Holzkonstruktionen im Fokus

Doch gibt es auch die Kehrseite der Medaille: Vor allem bei vollgedämmten Holzkonstruktionen kommt es immer wieder zu Feuchteschäden. "Eine mögliche Ursache ist, dass begrünte Dächer – wie alle Flachdächer – auf der bauphysikalischen ‚falschen‘ Seite, nämlich der Außenseite, dicht sind und so nur eine Trocknung nach innen möglich ist", weiß Daniel Zirkelbach, stellvertretender Leiter der Abteilung Hygrothermik am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP. Im Unterschied zu Flachdächern ohne Deckschicht ist die Erwärmung von Gründächern deutlich geringer, so dass eben auf Grund der Bepflanzung eine Austrocknung während der Sommermonate nicht ausreichend stattfinden kann. Daher bedarf es für begrünte Holzkonstruktionen einer exakten, fachkundigen Planung. Um diese zu gewährleisten, reichen klassische Feuchteberechnungen, wie z. B. das Glaser-Verfahren, nicht aus. Um neue Wege zu gehen, lief von November 2011 bis April 2013 mit Mitteln der Forschungsinitiative "Zukunft Bau" des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung ein Forschungsprojekt. Ziel war, Planern und Bauproduktherstellern eine möglichst genaue und zuverlässige Grundlage zur Planung der Feuchtesicherheit der kritischen Dachbegrünungen zur Verfügung zu stellen. Wissenschaftler des Fraunhofer-IBP gelang es im Rahmen des Forschungsprogramms, ihre Simulationssoftware WUFI® zu erweitern und neue Modelle zur Beurteilung von Dachbegrünungen zu erstellen, welche die Feuchtebilanz unter Realbedingungen berücksichtigen. Die inzwischen weltweit verbreitete Software-Familie WUFI® wurde am Fraunhofer-IBP entwickelt und erlaubt die realitätsnahe Berechnung des instationären hygrothermischen Verhaltens von mehrschichtigen Bauteilen unter natürlichen Klimabedingungen.

Im Wesentlichen wird bei der Begrünung von Dächern zwischen zwei Ausführungsvarianten unterschieden: ie Extensivbegrünung zeichnet sich durch einen dünnschichtigen Aufbau von bis zu 15 cm sowie ein geringes Gewicht und minimalen Pflegeaufwand aus. Diese Vegetationsform erhält sich weitgehend selbst und passt sich auch extremen Standortbedingungen an, ist allerdings nicht als Nutzfläche geeignet. Im Vergleich dazu ist bei einer Intensivbegrünung die Nutzung des Gründaches erwünscht. Der mehrschichtige Aufbau ist hier mit 15 bis 100 cm deutlich dicker und damit auch schwerer. Er stellt hohe Ansprüche an die Pflege und die Wasser- und Nährstoffversorgung.

Freilanduntersuchungen zum hygrothermischen Verhalten beim IBP in Holzkirchen

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde jedoch ausschließlich die Extensivbegrünung untersucht. Im Vordergrund stand dabei vor allem, die Funktionsfähigkeit der Unterkonstruktion zuverlässig zu berechnen, denn die Einflüsse der Substrat- und Vegetationsschicht konnten bisher nicht eindeutig rechnerisch abgebildet werden – es fehlten verallgemeinerbare Datensätze. "Dazu nahmen wir zunächst bereits vorhandene Messergebnisse, basierend auf Versuchsaufbauten sowie langjährigen Konstruktionsuntersuchungen am Standort Holzkirchen sowie aus Kassel, Leipzig, Wien und Mailand. Zusätzlich starteten wir noch neue Freilandversuche am Fraunhofer-IBP Holzkirchen", erklärt Daniel Zirkelbach die Vorgehensweise. Dazu richteten die Wissenschaftler neue Versuchsflächen mit unterschiedlichen Substrat- und Pflanzentypen auf einem Versuchsdach ein. Verwendet wurden dabei die Optigrün-Systemlösungen Spardach, Leichtdach und Naturdach.

Diese Versuche waren erforderlich, weil bei den vorangegangenen Untersuchungen weder die Feuchteverhältnisse in den Substraten noch die langwellige Gegenstrahlung gemessen worden waren. Beides ist jedoch für die Übertragbarkeit der Berechnungsmodelle auf andere Klimabedingungen mit unterschiedlichen Strahlungs- und Niederschlagsverhältnissen von wesentlicher Bedeutung. Mit Hilfe von Sensoren wurde die Temperatur bei den verschiedenen Dachaufbauten gemessen. "Interessant dabei war, dass wir innerhalb eines Versuchsfeldes unter den gleichen Randbedingungen punktuell unterschiedliche Temperaturen gemessen haben. Diese variierten teilweise um bis zu 6°C, obwohl kein wirklicher Unterschied erkennbar war", so Daniel Zirkelbach. Grundsätzlich kristallisierten sich jedoch die mittleren Verhältnisse für eine Berechnungsbasis klar heraus.

Spannende Ergebnisse für das hygrothermische Simulationsprogramm WUFI®

Die Fraunhofer-Wissenschaftler konnten zudem belegen, dass die Temperaturen maßgeblich von der Masse des Substrats sowie der darin enthaltenen Wassermenge beeinflusst werden. "Diese Kombination führt zu einer großen thermischen Trägheit. Im Sommer sorgt die Verdunstungskühlung für eine Verzögerung der Erwärmung, im Winter bremst die Schmelzwärme die Abkühlung unter den Gefrierpunkt. Durch eine gewisse Selbstverschattung begrenzt die Pflanzdeckschicht eine Erwärmung ebenso wie eine nächtliche Unterkühlung durch langwellige Abstrahlung. Zusätzlich wird der Wärmeübergang durch die geringere Luftbewegung an der Oberfläche reduziert", fasst der Forscher die Ergebnisse zusammen.

Der zweite Punkt, der die Funktionsweise grundlegend beeinflusst, ist die exakte Auslegung der Dachkonstruktion. Bis dato verwendete man außen meist eine zum Substrat hin abgedichtete Holzverschalung mit einem Faserdämmstoff zwischen den Sparren und nach innen wurde eine Dampfbremse angebracht, um die Holzkonstruktion vor der eindringenden Feuchte aus dem Raumklima zu schützen. Diese Dampfbremse behindert aber im Sommer auch die Austrocknung, so dass bereits kleinere eingebaute oder eindringende Feuchtemengen zu Problemen führen können. Die Konsequenz einer mangelhaften Ausführung war eine verkürzte Haltbarkeit oder über kurz oder lang ein Feuchteschaden an der Konstruktion. Je dicker die Dämmschicht war, umso feuchter wurde sie im Winter.

Auf Grund der neuen Versuche und der daraus resultierenden Berechnungen fanden die Wissenschaftler vielversprechende Lösungsmöglichkeiten. So kann beispielsweise eine feuchtevariable Dampfbremse die Feuchtebilanz deutlich verbessern. Bei Dämmdicken ab 15 bis 20 cm kann eine zusätzliche feuchteresistente Überdämmung Schaden vermeiden – denn dann sind die Temperaturunterschiede an der Holzverschalung deutlich geringer und es entstehen besonders in den Wintermonaten nur noch kleine Mengen Tauwasser. Alle Ergebnisse fließen nun ein in das Verfahren zur Berechnung des gekoppelten Wärmeund Feuchtetransports in Bauteilen (hygrothermisches Simulationsprogramm WUFI®).

Weitere Hinweise zur Ausführung von begrünten Leichtbaukonstruktionen

Aufgrund des bei Begrünungen geringen Trocknungspotenzials sollten u. a. folgende Hinweise zur Ausführung von Leichtbaudächern beachtet werden:

• Dachränder (Traufe und First) sind laufdicht auszuführen.
• Der Anschluss von einbindenden Bauteilen ist luftdicht auszuführen, insbesondere bei Massivwänden mit Einbaufeuchte.
• Verwendung von möglichst dampfdichten Dachbahnen (S_d-Wert mindestens 300 m).

Energetische Vorteile eines Gründachs

Da die neu entwickelten Modelle eine genaue Berechnung der Verhältnisse von Dachbegrünungen mit Hilfe hygrometrischen Simulationen erlauben, besteht auch die Möglichkeit, Gründächer hinsichtlich ihres sommerlichen und winterlichen Wärmeschutzes zu beurteilen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Gründächer in Hinsicht auf sommerlichen Wärmeschutz eines Gebäudes besonders günstig im Vergleich zu Flachdächern ohne Deckschicht verhalten. Verdunstungskühlung und thermische Trägheit der Begrünung führen zu niedrigeren Maximaltemperaturen und somit auch zu geringeren unerwünschten Wärmegewinnen. Die zeitliche Verzögerung der maximalen Temperaturen wirkt sich ebenfalls positiv aus. Das neue Gründachmodell ermöglicht eine genaue Beurteilung der thermischen Verhältnisse unter Dachbegrünungen unter Berücksichtigung des vor allem im Sommer maßgeblichen Feuchtehaushalts. Bezüglich des sommerlichen Wärmeschutzes sind vor allem in warmen Regionen deutliche Vorteile zu erwarten. Das nun entwickelte bzw. modifizierte spezifische Gründachmodell ist auch für die Anwendung in anderen Klimaregionen geeignet.

Literatur

Frauenhofer-Institut für Bauphysik IBP: IBP-Bericht HTB 13-20
Ermittlung von Materialeigenschaften und effektiven Übergangsparametern von Dachbegrünungen zur zuverlässigen Simulation der hygrothermischen Verhältnisse in und unter Gründächern bei beliebigen Nutzungen und unterschiedlichen Standorten. Holzkirchen 2013. 241 S. Kostenloser Download (siehe Relevante Webseiten)